Дайджест за октябрь 2022 г.: обзор последних исследований в области газообмена между поверхностью и атмосферой

Новости проекта

Немецкие исследователи предложили метод обоснования количества точек камерных наблюдений за потоками парниковых газов

Точная количественная оценка потоков парниковых газов (ПГ) на основе камерных измерений является сложной задачей из-за высокой пространственно-временной изменчивости потоков, что приводит к большим неопределенностям в региональных и глобальных оценках потоков. В работе количественно оценено дыхание почвы и потоки углекислого газа (CO2), метана (CH4) и закиси азота (N2O) на участках с изменяющимися характеристиками ландшафта. Оценено влияние землепользования (леса, пашни и пастбища), сезонности (весна, лето и осень), типов почв и рельефа на интегральные величины потоков. Это позволило оценить количество точек камерных измерений, необходимых для оценки потоков в пределах заданных порогов неопределенности. Показано, что на потоки ПГ сильно влияют сезонность и землепользование, а отнюдь не тип почвы и рельеф. Оптимальное количество точек измерения, необходимых для надежных оценок потоков в перемежающемся ландшафте зависит от изменений величины потоков в зависимости от времени года, землепользования и типа ПГ. Для потоков CO2 и CH4 оценки неопределенностей меньше, чем для N2O. Для достоверного измерения последнего требуется больше точек наблюдений.

Исследование опубликовано в журнале Journal of Geophysical Research-Biogeosciences

Финскими и российскими учеными исследована изменчивость потоков CO2 и CH4

Арктическая тундра сталкивается с беспрецедентным потеплением, что приводит к изменениям растительности, режимов оттаивания и к изменению характеристик потоков углерода между экосистемой и атмосферой. Однако оценки региональных балансов двуокиси углерода (CO2) и метана (CH4) в тундровых ландшафтах весьма неопределенны. В исследовании измерялись потоки CO2 и CH4, состав растительности и индекс листовой поверхности (LAI), глубина протаивания и влажность почвы на станции Тикси. Используя камерные измерения, был определен обмен CO2 и валовой фотосинтез экосистем в течение вегетационного периода. Среди типов растительного покрова, варьирующих от бесплодной до кустарничковой тундры и тундровых водно-болотных угодий, плотность потока фотосинтетически активных фотонов была наибольшей в районах с преобладанием лугов и болот. Сухая тундра, в том числе кустарничковая и лишайниковая тундра, имела меньшие скорости обмена СО2. Болота также обнаружили максимальные потоки СН4, тогда как «сухая» тундра, напротив, потребляла атмосферный СН4, что составляло 9 % от общего баланса СН4 в течение вегетационного периода. Такая высокая скорость потребления согласуется с оценкой, полученной с помощью пульсационных измерений. Таким образом, для построения эффективных моделей потоков CO2 и CH4 необходимо различать различные типы земного покрова, включая районы сухой тундры.

Исследование опубликовано в журнале Biogeosciences

Американскими и канадскими учеными предложена модель машинного обучения для оценки выбросов CH4 водно-болотными ландшафтами по всему миру

Выбросы метана (CH4) водно-болотных угодий являются одними из наиболее неопределенных компонентов глобального баланса CH4. Сложная природа процессов, определеяющих потоки CH4 в водно-болотных системах затрудняет выявление причинно-следственных связей для улучшения нашего понимания и предсказуемости выбросов CH4. В исследовании, опубликованном в журнале Agricultural and Forest Meteorology, использованы измерения потока CH4 методом турбулениных пульсаций на 30 участках, представляющих 4 типа водно-болотных систем: болото, низинная топь, топь и влажная тундра. Далее построена и обучена модель машинного обучения на базе нейросетей типа LSTM, в которую были внедрены механизмы учета причинно-следственных связей. Обнаружено, что температура почвы является доминирующим фактором для выбросов CH4 на всех исследованных типах водно-болотных систем. Экосистемное дыхание (CO2) и валовая первичная продуктивность контролируют болота, топи и топи с запаздыванием реакции от нескольких дней до недель. Интегрирование этих асинхронных экологических и биологических причинно-следственных связей в прогностические модели значительно улучшило их качество. Результаты подчеркивают важную роль причинно-следственных связей при моделировании выбросов CH4 водно-болотными системами, особенно в условиях будущего потепления, в то время как традиционные модели, основанные на данных (модели машинного обучения), могут неадекватно воспроизводить наблюдения. Предлагаемая причинно-следственная модель может улучшить прогнозное моделирование выбросов CH4 водно-болотных систем и может быть включена в модели земной системы.

Обзор «Поглощение и потоки углерода в водных системах» опубликован американскими учеными

Пресноводные водно-болотные угодья играют существенную роль в улавливании и долгосрочном хранении углерода из атмосферы и, тем не менее, могут быть потенциальным источником выбросов парниковых газов, особенно метана. Тропические и субтропические водно-болотные системы подвержены влиянию различных периодов обводнения, вследствие чего они могут функционировать как поглотители углерода в сезон дождей, при этом будучи источниками углерода в засушливый сезон. В обзоре показано, что большая часть исследований в-основном сосредоточена на водно-болотных системах умеренного пояса, тогда как работ по потокам углерода в тропических водно-болотных системах (например, эфемерных водно-болотных ландшафтах) гораздо меньше. Авторы продемонстрировали необходимость анализа углеродного потенциала водно-болотных систем для связывания или высвобождения углерода. Количественные оценки глобальных запасов углерода (особенно там, где мало данных) необходимы для прогнозирования и, возможно, для уменьшения негативных последствий антропогенного изменения климата. В обзоре приводятся оценки круговорота углерода в водно-болотных системах, включая основные источники и поглотители углерода, процессы, управляющие потоками углерода, преобразованиями и некоторыми последствиями изменений в этих процессах.

Обзор опубликован в качестве Главы 5 монографии Fundamentals of Tropical Freshwater Wetlands.

Ученые из Дании и Финляндии предложили метод картирования эмиссии метана в арктических системах

Метан является важным парниковым газом, и прогнозируется, что выбросы в арктических водно-болотных экосистемах возрастут, когда температура повысится из-за изменения климата. Однако текущие оценки выбросов связаны с большими неопределенностями, поскольку потоки метана существенно неоднородны в пространстве. В исследовании, опубликованном в журнале Science of the Total Environment, рассматривается, как система, состоящая из беспилотного летательного аппарата и высокоточного газоанализатора, может дополнить хорошо зарекомендовавшие себя методы, такие как мобильные потоковые камеры и пульсационные измерения, что позволяет получать независимые карты пространственной изменчивости выбросов метана. Предложенный метод был протестирован в долине Закенберг на северо-востоке Гренландии в болотистой экосистеме высокоарктической тундры. Газоанализатор был подключен через длинную трубку к квадрокоптеру потребительского класса, что позволило различать приповерхностные концентрации метана менее 5 частей на миллиард (ppb) в пределах нескольких метров при благоприятных погодных условиях. Параллельные измерения с помощью стационарной автоматизированной камеры показали сравнительно низкие выбросы метана, тогда как усовершенствованная установка анализатора на БПЛА показывала более высокие значения. Отмечается, что качество картирования повышалось в безветренных условиях.

В работе норвежских и австрийских ученых исследуются свойства водосборов, как предикторов концентрации парниковых газов в районах бореальных озер

Бореальные озера являются самыми многочисленными озерами на Земле. Изменения в осадках и степени использовании водосборных площадей увеличили потоки наземного растворенного органического вещества в озера, что привело к повсеместному измерению состава бореальных пресных вод. Это влияет на водные сообщества и экосистемные процессы и увеличивает выбросы парниковых газов, таких как CH4, CO2 и N2O. В исследовании, опубликованном в журнале Frontiers in Environmental Science, исследовалось биотическое насыщение парниковыми газами бореальных озер на основе изучения химических, гидрологических, климатических и землепользовательных параметров. Исследовано 73 озера, в которых определеялись концентрации парниковых газов (ПГ) и биогенных веществ (органические углерод, фосфор и азот), охватывающих широкий диапазон концентраций питательных веществ, а также характеристики водосборных бассейнов и земель. Характеристики водосбора (гидрологические и климатические параметры), такие как размер озера и летние осадки, а также индекс NDVI, были ключевыми определяющими факторами при подборе моделей расчета потоков CH4 и CO2, в то время как данные о летних осадках и землепользовании оказались лучшими предикторами насыщения N2O. Результаты показывают, что размер озера, осадки и наземная первичная продукция в водоразделе в-основном контролируют насыщение ПГ в бореальных озерах. В работе подчеркивается необходимость включения нескольких определяющих параметров в модели прогнозирования выбросов парниковых газов для получения интегральных оценок для бореальных биомов.

Польскими учеными исследованы запасы углерода в почвах районов, прилегающих к шахтам и другим объектам добычи

В работе, опубликованной в журнале CATENA, показано, что накопление углерода в почве влияет на многие свойства экосистемы и, следовательно, является важным показателем успеха мелиорации на участках, где почва развивается заново, например, после длительной добычи полезных ископаемых. В данном исследовании анализируются участки почв, восстанавливающихся после выработок угля (период 16–56 лет) в районе Соколова, Чехия. Восстановление привело к формирвоанию развитого широколиственного леса. Содержание углерода в лесной подстилке повышается в низинах. Запас почвенного углерода увеличивался с возрастом сукцессии с одинаковой скоростью, но эта тенденция была значимой только в поверхностном слое почвы на глубине 0–5 см. Годовая скорость накопления углерода в почве составила 0,53 т*Га^-1*год^-1. Примечательно, что темпы увеличения запасов углерода были сильно изменчивы, и были самыми высокими в зоне промежуточной сукцессии.

Коллектив авторов из различных университетов и исследовательских центров мира опубликовал обзор «Космические наблюдения в поддержку Парижского соглашения»

Наблюдения из космоса сыграли решающую роль в мониторинге и количественной оценке медленных изменений в климатической системе — от накопления парниковых газов в атмосфере до повышения температуры поверхности и таяния морского льда. В дополнение к документированию изменения климата, космические наблдения важны для эффективной разработки политики и мониторинга, направленных на достижение всеобъемлющих целей Парижского соглашения Рамочной конвенции Организации Объединенных Наций об изменении климата (РКИКООН) по борьбе с изменением климата. В обзоре показано, что спутниковые наблюдения могут фиксировать и визуализировать последствия экстремальных климатических событий и, таким образом, помогать количественной оценке их частоты и интенсивности, в конечном счете способствуя управлению ими в рамках Парижского соглашения РКИК ООН как на национальном уровне (используя Рамочный подход Расширенной Прозрачности), так и на глобальном уровне (используя механизм Глобального Подведения Итогов). В обзоре, опубликованном в журнале Frontiers in Environmental Science, представлена перспектива развития спутниковых измерений для климатических исследований в контексте решения задач Парижского соглашения РКИК ООН.